大跨度铁路悬索桥刚度研究

论文摘要

刚度参数的确定是大跨度桥梁设计工作的重要部分,目前规范对于挠跨比等限值的规定虽然应用了车桥耦合振动理论,但其是基于中小跨度桥梁动力分析和实测试验所得到,对于大跨度桥梁并不适用。同时可供借鉴的铁路悬索桥较少,尚无铁路专用悬索桥的已建工程报道,在设计此类桥梁时会有一定困难。本文结合某大跨度铁路悬索桥方案,从多角度对此类桥梁的刚度参数进行研究,并对大跨度铁路悬索桥刚度评价指标体系进行探讨。首先基于有限元理论,建立了某大跨度铁路悬索桥的全桥动力模型,并提出了一种实用的桁架主梁简化方法,结果表明该方法能在满足工程精度要求的基础上能提高计算效率。以两种软件讨论该桥的模态特点,并为进一步研究提供模型和相关参数。然后,对面向走行性的车辆及桥梁指标体系进行了较为详细的归纳,并根据相关研究及工程实例提出了本文中采用的安全及舒适性指标以及桥梁刚度限值。而后针对该铁路悬索桥建立了一种钢桁加劲梁的等效二维模型,以计算流体动力学(CFD)的方法,计算了不同来流风速、风攻角下的静力三分力系数,并采用UDF技术以分状态强迫振动法进行颤振导数识别,得到了不同折算风速下的气动力系数,为后续计算提供了计算参数。最后,从桥梁的动力特性分析、车桥耦合振动分析、静风响应、抖振响应等角度,通过多工况的计算,研究梁高、梁宽、桥塔刚度、主缆刚度和恒活比等刚度参数对桥梁静动力响应的影响,并根据计算结果讨论桥梁部分刚度限值。计算结果表明：不同刚度参数对桥梁各静、动力响应的影响程度不同,不合适的刚度参数可能会使桥梁的耐久性、车辆过桥的舒适性受到影响,甚至导致事故的发生。根据计算结果,提出了针对大跨度铁路悬索桥的部分刚度限值,以期对桥梁设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 悬索桥概述
• 1.1.1 世界悬索桥的发展
• 1.1.2 铁路悬索桥
• 1.2 本课题的研究现状及研究意义
• 1.2.1 大跨度桥梁刚度研究现状与理论发展
• 1.2.2 大跨度铁路桥梁刚度研究的意义
• 1.3 本文研究的主要内容与方法
• 第2章 大跨铁路悬索桥动力分析的有限元方法
• 2.1 桥梁结构振动分析有限元法
• 2.1.1 有限元分析的基本原理及思路
• 2.1.2 动力分析的有限元理论及其特征值问题
• 2.2 大跨度铁路悬索桥自振特性分析
• 2.2.1 工程简介
• 2.2.2 全桥有限元模型的建立
• 2.2.3 全桥模态分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 大跨度铁路桥梁面向走行性的评价指标体系
• 3.1 车辆动力评价标准
• 3.1.1 车辆运行安全性标准
• 3.1.2 车辆运行平稳性标准
• 3.2 轨道结构动力作用评价标准
• 3.2.1 轮轨垂向力
• 3.2.2 轮轨横向力
• 3.2.3 轮轴横向力
• 3.2.4 线路横向稳定性系数
• 3.3 铁路悬索桥实例
• 3.4 桥梁的评判标准
• 3.4.1 竖向刚度限值
• 3.4.2 横向刚度限值
• 3.4.3 桥梁扭曲刚度
• 3.5 本章小结
• 第4章 大跨度铁路悬索桥刚度参数分析
• 4.1 分析方法
• 4.1.1 结构动力特性分析
• 4.1.2 车-桥系统走行性分析
• 4.1.3 静风响应分析
• 4.1.4 抖振响应分析
• 4.2 气动参数的CFD计算
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 气动力参数计算结果
• 4.3 桁宽敏感性分析
• 4.3.1 桁宽对动力特性的影响
• 4.3.2 桁宽对列车走行性的影响
• 4.3.3 桁宽对静风响应的影响
• 4.3.4 桁宽对抖振响应的影响
• 4.3.5 不同桁宽下车桥计算时程响应分析
• 4.4 桁高敏感性分析
• 4.4.1 桁高对动力特性的影响
• 4.4.2 桁高对列车走行性的影响
• 4.4.3 桁高对静风响应的影响
• 4.4.4 桁高对抖振响应的影响
• 4.5 桥塔刚度敏感性分析
• 4.5.1 桥塔刚度对动力特性的影响
• 4.5.2 桥塔刚度对列车走行性的影响
• 4.5.3 桥塔刚度对静风响应的影响
• 4.5.4 桥塔刚度对抖振响应的影响
• 4.6 主缆刚度敏感性分析
• 4.6.1 主缆刚度对动力特性的影响
• 4.6.2 主缆刚度对列车走行性的影响
• 4.6.3 主缆刚度对静风响应的影响
• 4.6.4 主缆刚度对抖振响应的影响
• 4.7 恒活比敏感性分析
• 4.7.1 恒活比对动力特性的影响
• 4.7.2 恒活比对列车走行性的影响
• 4.8 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目